(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電型の第１半導体層上に形成され、パワー半導体素子として機能する半導体素子領域と、前記第１半導体層上に形成され、前記半導体素子領域の温度上昇を検出するセンサとして機能するセンサ素子領域と、を備えた複合半導体装置において、前記半導体素子領域は、前記第1半導体層と、前記第1半導体層における一方の主面上に形成され且つ前記第１導電型と異なる第２導電型の第２半導体層と、前記第１半導体層における一方の主面上に形成された少なくとも１つの第１電極と、を有する半導体素子領域であって、前記センサ素子領域は、前記第１半導体層と、前記第１半導体層における一方の主面上に形成され、前記第１半導体層との間にショットキー接合界面を形成する第２電極と、で構成されたSBDであって、前記第一及び第２電極のいずれか一方の電極が、平面的に見て、前記第１および第２電極の他方の電極と重なるようにして延伸されたことを特徴とする複合半導体装置。
【請求項２】
前記第１および第２電極が、断片的に見て、前記第1及び第２電極のいずれか一方の電極の延伸された一部の下端から前記第１および第２電極の他方の電極の上端までの垂直距離が、前記第1 電極から前記第２電極なでの最短の水平距離の1/100程度になるように形成された請求項１の複合半導体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スイッチング電源装置の過熱保護回路等に使用され、同一の半導体層上に、半導体素子領域と温度検出用のセンサ素子領域とが形成された複合半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
スイッチング電源装置等に用いられる整流素子として機能するダイオードや、スイッチング素子として機能するトランジスタ等の半導体素子は、半導体素子自身の動作及び通電により発熱し、発熱による誤作動や素子破損を招き、電源装置の発煙、発火を引き起こす場合がある。そこで、これらを防止する手段として、ダイオードをセンサ素子として使用した保護回路を設けた電源装置が、特許文献１に開示されている。
【０００３】
図５は、特許文献１に開示される従来のフライバック型スイッチング電源装置の回路構成図である。
直流電源ＤＣから入力される直流電力を、スイッチング素子Ｑを図示しない制御回路によりオン／オフ制御させることで、トランスＴの一次巻線Ｐに印加する。
スイッチング素子Ｑがオンする間、トランスＴの一次巻線Ｐに磁気エネルギーが蓄えられ、スイッチング素子Ｑがオフする間、二次巻線Ｓから磁気エネルギーを放出する。
放出された磁気エネルギーは、ダイオードＤ１と平滑コンデンサＣとによって整流平滑化され、出力端子ＯＵＴを介して図示しない負荷に供給される。
【０００４】
従来のスイッチング電源装置のスイッチング動作時における発熱は、ダイオードＤ１において最も大きいため、従来のスイッチング電源装置では、センサ素子としてダイオードＤ２とダイオードＤ１とを一体化した複合部品を設置している。この複合部品は、トランスＴの二次巻線Ｓの一端と出力端子＋ＯＵＴとの間に接続され、ダイオードＤ２は、トランスＴの二次巻線Ｓの一端と過熱検出回路ＴＤＣとの間に接続される。ダイオードＤ１の発熱は、過熱検出回路ＴＤＣを介して制御回路にフィードバックされ、制御回路は、ダイオードＤ１の発熱を低減させるようにスイッチング素子Ｑを制御する。
【０００５】
ダイオードＤ２のように温度上昇を検出するセンサ素子は、ＳＢＤ（Ｓｃｈｏｔｔｋｙ  Ｂａｒｒｉｅｒ  Ｄｉｏｄｅ）やＰＮ接合ダイオード等が一般的であり、温度検出の原理には、図３に示すように優れた線形性を有するＳＢＤの漏れ電流ＩＲの温度特性や、ＰＮ接合ダイオードの順方向電流の温度特性等が多く利用される。図５に示す従来のスイッチング電源装置においては、ダイオードＤ２はＳＢＤであり、ＳＢＤの漏れ電流ＩＲの温度特性を利用して、発熱が大きいダイオードＤ１の温度上昇を検出することで、電源装置の過熱保護を実現している。
【０００６】
また、半導体素子の発熱を素早く検出するため、同一の半導体層上に、半導体素子と、半導体素子の温度上昇を検出するセンサ素子と、が並存するように形成し、半導体素子を保護する機能を備えることが知られている。例えば、半導体素子であるＦＲＤ（Ｆａｓｔ  Ｒｅｃｏｖｅｒｙ  Ｄｉｏｄｅ）とセンサ素子であるＳＢＤとが並存するように形成された複合半導体装置が、特許文献２に開示されている。
【０００７】
従来の複合半導体装置を図６に示す。
ＦＲＤ１１が、Ｎ型の第１半導体層１と、第１半導体層１上に島状に形成され、且つ、第１半導体層１とＰＮ接合が形成されるＰ型の第２半導体層２と、第１半導体層１と第２半導体層２との各表面上に形成された絶縁膜４と、第２半導体層２上に形成され第２半導体層２と電気的に接続される第１電極５と、第１半導体層１と電気的に接続される第３電極８と、で構成され、
ＳＢＤ１２が、第１半導体層１と、第１半導体層１上に島状に形成されたＰ型の第３半導体層３と、第１半導体層１と第３半導体層３との各表面上に形成された絶縁膜４と、第１半導体層１上に形成され且つ第１半導体層１との間にショットキー接合が形成される第２電極６と、第１半導体層１と電気的に接続される第３電極８と、で構成されている。
【０００８】
従来の複合半導体装置において、ＦＲＤ１１の温度上昇は、主に第１半導体層１を介した熱伝導によって、ＳＢＤ１２に伝わり、ＳＢＤ１２の漏れ電流ＩＲが変化することによって検出される。
【特許文献１】再表ＷＯ２００４／０１７５０７
【特許文献２】特開２００６−３２４４１２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、従来の複合半導体装置は、半導体素子の高耐圧及び高出力等の要求に伴い第１半導体層１を薄く形成されるため、第１半導体層１の熱伝導性は高くなる。しかしながら一方で、第１半導体層１を薄く形成することにより、半導体素子の強度が低下し、製造歩留まりが低下するという欠点がある。
【００１０】
そこで、本発明の目的は、同一の半導体層上に、半導体素子領域と、半導体素子領域の温度検出用のセンサ素子領域と、が並存するように形成され、センサ素子による温度検出の応答速度が半導体層の厚さに影響されず、半導体素子領域の温度を検出でき、電源装置の過熱保護回路に用いることができる複合半導体装置を提供することにある。
なお、半導体素子領域に設けられるものは、トランジスタ、ダイオード、ＦＥＴ等何でも良いが、一例として、図１に示すように、ＦＲＤを例に挙げる。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決し上記目的を達成するために、請求項１に係る本発明の複合半導体装置は、第１導電型の第１半導体層上に形成され、パワー半導体素子として機能する半導体素子領域と、前記第１半導体層上に形成され、前記半導体素子領域の温度上昇を検出するセンサとして機能するセンサ素子領域と、を備えた複合半導体装置において、
前記半導体素子領域は、前記第１半導体層と、前記第１半導体層における一方の主面上に形成され且つ前記第１導電型と異なる第２導電型の第２半導体層と、前記第１半導体層における一方の主面上に形成された少なくとも１つの第１電極と、で構成された半導体素子であって、
前記センサ素子領域は、前記第１半導体層と、前記第１半導体層における一方の主面上に形成され、前記第１半導体層との間にショットキー接合界面を形成する第２電極と、で構成されたＳＢＤであって、
熱伝導性材料からなり、前記第１及び第２電極のいずれか一方の電極と接触し、平面的に見て、前記第１及び第２電極の他方の電極と重なるように延伸して形成された伝熱板を備えていることを特徴とする。
【００１２】
さらに、上記課題を解決し上記目的を達成するために、請求項２に係る本発明の複合半導体装置は、第１導電型の第１半導体層上に形成され、パワー半導体素子として機能する半導体素子領域と、前記第１半導体層上に形成され、前記半導体素子領域の温度上昇を検出するセンサとして機能するセンサ素子領域と、を備えた複合半導体装置において、
前記半導体素子領域は、前記第１半導体層と、前記第１半導体層における一方の主面上に形成され且つ前記第１導電型と異なる第２導電型の第２半導体層と、前記第１半導体層における一方の主面上に形成された少なくとも１つの第１電極と、で構成された半導体素子領域であって、
前記センサ素子領域は、前記第１半導体層と、前記第１半導体層における一方の主面上に形成され、前記第１半導体層との間にショットキー接合界面を形成する第２電極と、で構成されたＳＢＤであって、
前記第１及び第２電極のいずれか一方の電極が、平面的に見て、前記第１及び第２電極の他方の電極と重なるようにして延伸されたことを特徴とする。
【００１３】
さらに、上記課題を解決し上記目的を達成するために、請求項３に係る本発明の複合半導体装置は、前記伝熱板が、断面的に見て、前記伝熱板の延伸された一部の下端から前記第１及び第２電極の他方の電極の上端までの垂直距離が、前記第１電極から前記第２電極までの最短の水平距離の１／１００程度になるように形成されたことを特徴とする。
さらに、上記課題を解決し上記目的を達成するために、請求項４に係る本発明の複合半導体装置は、前期第１及び第２電極が、断面的に見て、前期第１及び第２電極のいずれか一方の電極の延伸された一部の下端から前記第１及び第２電極の他方の電極の上端までの垂直距離が、前記第１電極から前記第２電極までの最短の水平距離の１／１００程度になるように形成されたことを特徴とする。
さらに、上記課題を解決し上記目的を達成するために、請求項５に係る本発明の複合半導体装置は、前記伝熱板は、前記第１半導体層よりも高い熱伝導率を有した材質により形成されたことを特徴とする。
さらに、上記課題を解決し上記目的を達成するために、請求項６に係る本発明の複合半導体装置は、前記半導体素子領域は、ＦＲＤであって、前記ＳＢＤの漏れ電流ＩＲの温度特性を利用して前記ＦＲＤの温度を検出できることを特徴とする。
さらに、上記課題を解決し上記目的を達成するために、請求項７に係る本発明の複合半導体装置は、第１導電型の第１半導体層上に形成され、パワー半導体素子として機能する半導体素子領域と、前記第１半導体層上に形成され、前記半導体素子領域の温度上昇を検出するセンサとして機能するセンサ素子領域と、を備えた複合半導体装置であって、
スイッチング電源装置の整流素子として使用されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
各請求項の発明によれば、第１又は第２電極のいずれか一方の電極又は第１又は第２電極のいずれか一方の電極から延伸した伝熱板は、平面的に見て、第１及び第２電極の他方の電極の上に重なるように形成されている。従って、本発明の複合半導体装置は、ＳＢＤの漏れ電流ＩＲの温度特性により半導体素子領域の温度上昇を検出でき、且つ、第１半導体層１の厚さに影響されず、高い応答速度で半導体素子領域の温度上昇を検出できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
次に、図１〜２を参照して本発明の実施形態に係わる複合半導体装置の一例を説明する。
【００１６】
図１は本発明の第１実施例の複合半導体装置を示す断面図である。図１において、複合半導体装置は、同一の半導体層上に、半導体素子であるＦＲＤ（Ｆａｓｔ  Ｒｅｃｏｖｅｒｙ  Ｄｉｏｄｅ）と、センサ素子であるＳＢＤ（Ｓｃｈｏｔｔｋｙ  Ｂａｒｒｉｅｒ  Ｄｉｏｄｅ）と、が並存するように形成した複合半導体装置であって、
ＦＲＤ１１が、Ｎ型の第１半導体層１と、第１半導体層１上に島状に形成され、且つ、第１半導体層１とＰＮ接合が形成されるＰ型の第２半導体層２と、第１半導体層１と第２半導体層２との各表面上に形成された絶縁膜４と、第２半導体層２上に形成され第２半導体層２と電気的に接続される第１電極５と、第１半導体層１と電気的に接続される第３電極８と、で構成され、
ＳＢＤ１２が、第１半導体層１と、第１半導体層１上に島状に形成されたＰ型の第３半導体層３と、第１半導体層１と第３半導体層３との各表面上に形成された絶縁膜４と、第１半導体層１上に形成され、且つ、第１半導体層１との間にショットキー接合が形成される第２電極６と、第１半導体層１と電気的に接続される第３電極８と、で構成され、
熱伝導性材料からなり、第２電極６と機械的に接触し、第１電極５へと延伸するように形成され、平面的に見て、第１電極５と重なる領域を有する伝熱板７と、を備えている。
【００１７】
第１実施例に係わる複合半導体装置において、図１の第１電極５の左端から図１の第２電極６の右端までの水平距離Ｌ１は１２５（μｍ）、図１の延伸された伝熱板７の下端から第１電極５の上端までの垂直距離Ｌ２は１（μｍ）、第１電極５の厚みは５〜８（μｍ）、第１半導体層の厚みは２４０（μｍ）、また、第１半導体層１及び絶縁膜４の熱伝導率は１６８（Ｗ／ｍ・Ｋ）、伝熱板７の熱伝導率は、第１半導体層１及び絶縁膜４の熱伝導率よりも高い２３６（Ｗ／ｍ・Ｋ）である。
【００１８】
第１実施例の複合半導体装置によれば、次の作用効果が得られる。
（１）  伝熱板７が、ＳＢＤ１２の第２電極６と機械的に接触し、且つ、平面的に見て、ＦＲＤ１１の第１電極５と重なるように形成されるので、ＦＲＤ１１の温度上昇を、伝熱板７を介してＳＢＤ１２により検出できる。即ち、第１半導体層１の厚さに影響されず、第１半導体層１を厚くして、複合半導体装置を高耐圧、高出力化しても、半導体素子領域又はＦＲＤ１１の温度上昇をＳＢＤ１２により検出できる。
（２）  伝熱板７が、第１半導体層１よりも高い熱伝導率を有した材質により形成され、さらに、延伸された伝熱板７の下端から第１電極５の上端までの垂直距離Ｌ２は、第１半導体層１よりも十分に薄く形成されているため、ＦＲＤ１１の温度上昇をＳＢＤ１２により高い応答速度で検出できる。さらに、酸化膜は、不純物拡散よりも、製造上の制御が容易である。
【００１９】
図２は本発明の第２実施例の複合半導体装置を示す断面図である。図２において、複合半導体装置は、同一の半導体層上に、半導体素子であるＦＲＤ（Ｆａｓｔ  Ｒｅｃｏｖｅｒｙ  Ｄｉｏｄｅ）と、センサ素子であるＳＢＤ（Ｓｃｈｏｔｔｋｙ  Ｂａｒｒｉｅｒ  Ｄｉｏｄｅ）と、が並存するように形成した複合半導体装置であって、
ＦＲＤ１１が、Ｎ型の第１半導体層１と、第１半導体層１上に島状に形成され、且つ、第１半導体層１とＰＮ接合が形成されるＰ型の第２半導体層２と、第１半導体層１と第２半導体層２との各表面上に形成された絶縁膜４と、第２半導体層２上に形成され第２半導体層２と電気的に接続される第１電極５と、第１半導体層１と電気的に接続される第３電極８と、で構成され、
ＳＢＤ１２が、第１半導体層１と、第１半導体層１上に島状に形成されたＰ型の第３半導体層３と、第１半導体層１と第３半導体層３との各表面上に形成された絶縁膜４と、第１半導体層１上に形成され、且つ、第１半導体層１との間にショットキー接合が形成される第２電極６と、第１半導体層１と電気的に接続される第３電極８と、で構成され、
第２電極６が、第１電極５へと延伸するように形成され、平面的に見て、第１電極５と重なる領域を有する。
【００２０】
第２実施例の複合半導体装置において、図２の第１電極５の左端から図２の第２電極６の右端までの水平距離Ｌ１は１２５（μｍ）図２の延伸された第２電極６の下端から第１電極５の上端までの垂直距離Ｌ３は１（μｍ）、第１電極５の厚みは５〜８（μｍ）、第１半導体層の厚みは２４０（μｍ）、また、第１半導体層１及び絶縁膜４の熱伝導率は１６８（Ｗ／ｍ・Ｋ）、第２電極６の熱伝導率は、第１半導体層１及び絶縁膜４の熱伝導率よりも高い２３６（Ｗ／ｍ・Ｋ）である。
【００２１】
第２実施例の複合半導体装置によれば、次の作用効果が得られる。
（１）  第２電極６の延伸された一部が、平面的に見て、ＦＲＤ１１の第１電極５と重なるように形成されるので、ＦＲＤ１１の温度上昇を、第２電極６の延伸された一部を介してＳＢＤ１２により検出できる。即ち、第１半導体層１の厚さに影響されず、第１半導体層１を厚くして、複合半導体装置を高耐圧、高出力化しても、半導体素子領域又はＦＲＤ１１の温度上昇をＳＢＤ１２により検出できる。
（２）  第２電極６が、第１半導体層１よりも高い熱伝導率を有した材質により形成され、さらに、第２電極６の延伸された一部の下端から第１電極５の上端までの垂直距離Ｌ３は、第１半導体層１よりも十分に薄く形成されているため、ＦＲＤ１１の温度上昇をＳＢＤ１２により高い応答速度で検出できる。さらに、酸化膜は、不純物拡散よりも、製造上の制御が容易である。
【００２２】
本発明の実施形態に係る複合半導体装置は、図３に示すフライバック型スイッチング電源装置に限定されず、以下に示すような回路に適用することができる。
即ち、図４（ａ）に示すフォワード型におけるトランスＴの二次巻線Ｓと並列に接続しても良い。あるいは、図４（ｂ）に示すプッシュプル型におけるトランスＴの二次巻線Ｓ１の一端と出力端子との間、および二次巻線Ｓ２の一端と出力端子との間に接続しても良い。あるいは、図４（ｃ）に示す降圧チョッパ型におけるスイッチング素子Ｑを介して直流電源ＤＣと並列に接続しても良い。このように様々なスイッチング電源における、発熱の大きい半導体素子と本発明の実施形態に係る複合半導体装置とを置き換えることで、応答の速い過熱保護が実現できる。
【００２３】
また、本発明の複合半導体装置を構成する半導体素子領域は、ＦＲＤに限定されず、その他のダイオードや、ＩＧＢＴ、ＦＥＴ等のトランジスタで構成されてもよい。さらに、伝熱板７は、導電性材料に限定されず、第１半導体層１よりも高い熱伝導性を有する材料に置き換えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の第１実施例の複合半導体装置の構造を示す断面図である。
【図２】本発明の第２実施例の複合半導体装置の構造を示す断面図である。
【図３】ＳＢＤの漏れ電流ＩＲの温度特性を示す図である。
【図４】本発明の複合半導体装置を適用したスイッチング電源装置の構成を示す回路構成図である。
【図５】従来のスイッチング電源装置の構成を示す回路構成図である。
【図６】従来の複合半導体装置の構造を示す断面図である。
【符号の説明】
【００２５】
１    第１半導体層
２    第２半導体層
３    第３半導体層
４    絶縁膜
５    第１電極
６    第２電極
７    伝熱板
８    第３電極
１１  ＦＲＤ
１２  ＳＢＤ
Ｌ１  第１電極５の左端から第２電極６の右端までの水平距離
Ｌ２  延伸された伝熱板７の下端から第１電極５の上端までの垂直距離
Ｌ３  第２電極６の延伸された一部の下端から第１電極５の上端までの垂直距離
【図１】
0005531384.tif 000002
【図２】
0005531384.tif 000003
【図３】
0005531384.tif 000004
【図４】
0005531384.tif 000005
【図５】
0005531384.tif 000006
【図６】
0005531384.tif 000007